Туннелирование электронов, связанное с белком ферритином, можно использовать для разработки новых методов лечения
Туннелирование электронов, связанное с ферритином (белок), было предложено еще в 1988 г., но к нему до сих пор относятся скептически, несмотря на существенные доказательства того, что оно происходит.
В недавней статье, опубликованной в IEEE Transactions on Molecular, Biological and Multi-Scale Communications, ученые рассматривают доказательства туннелирования электронов в ферритине, а также доказательства того, что такое туннелирование электронов может использоваться биологическими системами, включающими сетчатку, макрофаги, глиальные клетки, митохондрии и магнитосенсорные системы.
Хотя эти системы относятся к разным областям изучения, ученые надеются, что их статья повысит осведомленность о механизме туннелирования электронов, связанном с ферритином, и побудит к дальнейшим исследованиям этого явления в биологических системах, которые включают ферритин, особенно там, где нет очевидной необходимости в функциях ферритина по хранению железа в этих системах.
Краткая история ферритина и его исследования
Ферритин представляет собой белок крови, содержащий железо, который самособирается в сферическую оболочку диаметром 12 нанометров и толщиной 2 нанометра, и может хранить до ~ 4500 атомов железа в ядре диаметром 8 нанометров.
С эволюционной историей, которая, по-видимому, насчитывает более 1,2 миллиарда лет, он может показаться довольно старым, но следует иметь в виду, что одноклеточные организмы впервые появились примерно 3,5 миллиарда лет назад. Таким образом, для эволюции ферритина могло потребоваться более 2 миллиардов лет. Когда около 600 миллионов лет назад появились первые многоклеточные организмы, члены семейства белков ферритина, вероятно, присутствовали, и сегодня их можно найти почти во всех растениях и животных.
Первое предположение о том, что ферритин может обладать некоторыми квантово-механическими свойствами, было сделано еще в 1988 году, через 88 лет после открытия квантовой механики и через восемь лет после открытия квантовых точек, наночастиц, которые ведут себя как искусственные атомы и по размеру близки к ферритину. Квантово-механические свойства включают магнитное поведение, возникающее в результате того, как железо образует кристаллические структуры в ядре ферритиновой оболочки, и туннелирование электронов.
Последующие исследования, обсуждаемые в статье, предоставляют существенные доказательства того, что такие квантово-механические свойства существуют. Однако эти свойства этой биоструктуры возрастом в миллиард лет, по-видимому, в основном считались диковинкой или артефактом, а не квантовым биологическим агентом.
Биологи и многие другие ученые рассматривают квантовую биологию со скептицизмом (хотя многие из ученых, открывших квантовую механику более 100 лет назад, считали, что ее можно применить к биологии), но это растущая область, в которой проводятся исследования во многих ведущих университетах мира.
Что такое туннелирование электронов?
Квантовая механика предполагает, что физические свойства электронов, протонов, нейтронов и других объектов микромира, называемых субатомными частицами, определяются в терминах волн вероятности. Получены и общепризнаны экспериментальные свидетельства волнового поведения этих частиц. Волны описываются экспериментами как вероятность обнаружения физического свойства частицы в определенном месте во времени и пространстве, что иногда называют «коллапсом» волновой функции.
Однако ничего не меняется в частице, когда она коллапсирует, кроме поведения волновой функции. Когда волновая функция ведет себя в соответствии с волновой функцией Шредингера, ее можно назвать «когерентной», а когда она взаимодействует с другими частицами и больше не ведет себя в соответствии с этой волновой функцией, ее можно назвать «некогерентной».
Пространственные волновые свойства электронов в вакууме могут иметь длину волны около 5 нанометров при комнатной температуре, что важно для молекулярных взаимодействий.
Электроны могут перемещаться между молекулами, когда они «соприкасаются» друг с другом (признавая, что на самом деле взаимодействуют волновые функции атомов и субатомных частиц в молекулах), что можно назвать адиабатическим или классическим поведением, но в «определенных» условиях электрон может «туннелировать» между молекулами, а это означает, что может показаться, что он движется от одной молекулы к другой таким образом, который не допускается адиабатическим или классическим поведением. В этом нет ничего загадочного, это просто физическое свойство электронов, но поскольку волновая функция является волной вероятности, она может показаться загадочной.
Некоторые ученые показали, что электроны туннелируют на расстояние до 12 нанометров через ферритин в последовательных актах туннелирования и что необычные магнитные свойства материалов сердцевины ферритина могут быть связаны с этим необычно большим расстоянием туннелирования электронов. Новая работа была основана на так называемых «твердотельных» экспериментах, в которых не участвуют живые биологические системы.
Поскольку туннелирование электронов нельзя наблюдать напрямую, его необходимо создать из других данных, таких как измеренные токи и напряжения. В биологических системах может быть труднее получить доказательства такого туннелирования электронов, но это возможно.
Электронное туннелирование в биологических системах, содержащих ферритин
Существует несколько предполагаемых клеточных реакций, связанных с туннелированием электронов в ферритине. Во-первых, это хранение электронов. В лабораторных испытаниях вне клеток, которые иногда называют «in vitro» от латинского термина, означающего «в стекле», была продемонстрирована способность ферритина в растворе с водой сохранять электроны в течение нескольких часов.
Это необычно, потому что можно было бы ожидать, что железо, хранящееся внутри ферритина, будет высвобождаться, как только будет получен электрон, но этого не происходит быстро. Наблюдение указывает на то, что электроны не легко проходят через изолирующую белковую оболочку за счет классической проводимости, а вместо этого они движутся электрохимически или путем туннелирования.
Имеющиеся данные также указывают на то, что электроны могут туннелировать на расстояние до 8 нанометров за один раз через ферритин в твердотельных тестах, поэтому возможно, что электроны, хранящиеся внутри ферритинового ядра, могут туннелировать к молекулам за пределами 2-нанометровой белковой оболочки, таким как свободные радикалы, имеющие энергетические уровни, позволяющие им принимать электроны. Эти свободные радикалы могут отнимать электроны у других молекул и вызывать повреждение клеток, а нейтрализация свободных радикалов путем отдачи электрона является одной из функций антиоксидантов.
Ферритин взаимодействует с антиоксидантами, такими как аскорбиновая кислота (более известная как витамин С), в клеточной среде таким образом, что стабилизирует накопленное железо, а также сверхэкспрессируется в ответ на свободные радикалы.
Если ферритин способен накапливать электроны от антиоксидантов, чтобы сделать их доступными для свободных радикалов посредством туннелирования электронов, он может повысить эффективность этой реакции нейтрализации, позволяя электронам достигать свободных радикалов, которые находятся дальше, и сохраняя электроны до тех пор, пока они не потребуются.
Если единственной функцией ферритина является хранение железа, это не имеет смысла в ситуациях, когда источником свободных радикалов, воспалений и АФК не является избыток железа, что часто бывает. Сложность того, как клетки используют железо, известного как гомеостаз железа, затрудняет идентификацию туннелирования электронов, связанного с ферритином.
Другой предполагаемой квантовой биологической функцией туннелирования электронов в ферритине является перенос электронов на клеточные расстояния. В типе клеток, называемом макрофагом М2, ферритин может образовывать упорядоченные структуры, которые макрофаги, по-видимому, используют для обеспечения ферритином клетки, которой помогает макрофаг. Например, макрофаги связаны с повышенным уровнем ферритина, связанным с некоторыми видами рака, и, по-видимому, помогают раковым клеткам нейтрализовать воспаление.
Антиоксиданты также могут помочь некоторым раковым клеткам выжить, предоставляя электроны для нейтрализации свободных радикалов и АФК, но в отсутствие антиоксидантов в этих клетках возможно ли туннелирование электронов через структуры ферритина в макрофагах М2 в ферритин в других клетках? Доказательства этой функции также существуют.
Заключение и следующие шаги
В новой статье содержится более подробная информация о том, как строительные блоки функций электронного туннелирования могут быть использованы в разных биологических системах, содержащих ферритин, но разработка тестов и исследование того, происходит ли туннелирование электронов, будет зависеть от исследователей в различных областях изучения этих биологических систем.
Многие ученые в области биологии не понимают туннелирования электронов и скептически относятся к квантовой биологии, поэтому могут пройти десятилетия, прежде чем на эти вопросы будут даны ответы и они будут использованы для разработки методов лечения рака, слепоты, глухоты и других заболеваний.
Исследователи надеются, что их новая статья поможет повысить осведомленность и способствовать дополнительным исследованиям того, используют ли биологические системы доказанный феномен туннелирования электронов в ферритине и каким образом.